连续下穿高铁线路桥下U型槽净空受限钻孔围护桩施工

周志成

施工

注浆

监测

桥墩

高铁

钢板

静力

进行

水准仪

采用

关键词：高铁群、净空受限、钻孔桩、静压植桩、监控量测 1、创新背景

1.1基本情况：
近年来城市高铁发展迅速，全国各大城市均修建了高铁，后续城市建设中，道路工程紧邻既有高铁的情况时有发生，且日后将更加频繁；道路桩基紧邻既有高铁，国内目前以避让高铁为主，无法避让时桩基施工多采用管理措施予以进行管控，未形成一套能保护高铁结构安全切实可行的施工方法。
中铁四局南京分公司承建的南京市南部新城红花-机场地区南片区基础设施项目佳营南路下穿京沪高铁等桥孔工程，采用改装反循环钻机+拉森钢板桩施工方法保证高铁结构安全，总结并形成工法。
1.2存在问题
传统涉铁围护桩施工方法为人工挖孔桩，对安全要求特高，如有害气体、易燃气体、空气稀薄等，尤其在有地下水时需边抽边挖，对漏电保护也有特殊要求。所以需要机械化钻孔施工。
传统钻机高度在8.2米左右，但是本项目高铁群净高只有3.5米，目前钻机的高度严重不满足现场施工要求需对钻机进行改装，钢筋笼也需分段制作，后期无形增加的焊接接头将耗费大量材料及人工。

2、核心技术
2.1创新点
（1）降低风险：人工挖孔施工作业风险大，改装后的反循环钻机施工极大降低了施工的安全风险。
（2）缩短工期：连续下穿高铁线路桥下U型槽净空受限钻孔围护桩施工，实现了改装、定位等功能，钻机结构简捷、安拆方便，减少了人工挖孔的繁杂工序，提高了工效（可缩短1/3工时）。
（3）节约成本：改装矮循环钻孔灌注桩节约人力、材料等资源的投入（可节省1/5成本）。 2.2工艺流程
连续下穿高铁线路桥下U型槽净空受限钻孔围护桩施工工法主要工艺流程如下所示：

图1 连续下穿高铁线路桥下U型槽净空受限钻孔围护桩施工工艺流程图

2.3操作要点
本项目桩基直径为1m，选用GF-350型反循环钻机。钢板桩为FSP-Ⅳ型（Q390bz-400×170），桩长9m，选用静压植桩机（SILENT PILER）。

图2.3-1 围护桩+钢板桩横断面图

图2.3-2 围护桩+钢板桩平面布置图

2.3.1施工准备
⑴技术准备
①熟悉和审查施工图纸及其设计文件，弄清设计意图和设计要求。对图纸存在不明确或疑点进行归纳、记录，通过设计交底会议向设计单位提出，以求得更正、明确和意见统一。
②做好技术交底工作。由项目工程师向参与施工管理和参加施工的项目管理人员、技术人员进行方案交底。交底后将项目工程师签署的方案交底文件交技术部门留存，作为指导施工的技术依据。同时，技术员应在施工前按工序和操作项目向项目主要管理人员和机班组成员再进行施工技术交底。
⑵材料准备
根据工程需要，提前做好施工物资（如钢筋、混凝土等）的计划报批和采购工作，于开工前及时安排和组织调运进场。所有进场的材料都必须在报审合格后方能进场使用，并由专人负责落实，确保满足连续施工的需要。
⑶钻机选型
按工程地质情况及设计D=1000mm桩径考虑，拟采用反循环钻机GF-350进行施工，其最大钻径和最大成孔深度均能满足要求；铁路桥下因受净空限制，需采用特制矮架钻机施工，整机外形尺寸由9.2m*2.5m*3.5m改装成6.2m*2.5m*3.5m。原桩机参数如下： ⑷现场准备
①合理布置施工场地，现场落实四通一平，即路、水、电和通信通；先平整场地、清除杂物、夯打密实。
②场地平整完成后，然后组织测量放样人员，将桩位放出，钉好十字保护桩，并根据设计桩位浇筑孔位导墙，将护筒提前埋设到位。 ③合理规划行车路线，使机械进出位置与钻孔位置保持一定的距离，以免影响孔壁稳定。
④施工前探测桩基附近地下管线情况，做好地下管线保护措施。

2.3.2 安全防护
因U槽基坑位于京沪高铁56号、57号桥墩中间，下穿京沪高铁线、沪蓉上下行联络线、仙宁线等铁路营业线，安全风险大，需在施工过程中对铁路桥墩、桥梁进行防护。
①对既有铁路桥墩护栏进行拆除改移。现状铁路营业线下西侧为栅栏加刺丝滚笼，东侧为围墙，均位于施工范围内，需进行拆除。见图2.3.2-1.

图2.3.2-1 现状围栏

现状围栏拆除后，在铁路桥墩内侧两米位置处重新设置围栏，并按照铁路标准设置刺丝滚笼，总高不低于2.7m。
②围栏恢复完成后，于围栏内侧加装防护网、安全警示标志、标牌等醒目标识，并安放新泽西护栏作为防撞墩。
③在围栏内侧安装防护棚，低于铁路桥梁底，对施工区域进行封闭，防止施工过程中机械对铁路桥结构造成碰撞。
④对施工队伍进行安全教育，所有工序均需严格按照技术交底及方案施工，在醒目位置安装安全提醒，大型机械施工时必须配备专人进行监督。
2.3.3清表拉槽施工
安全防护施工完成后方可进行土方作业。对现状地面进行清表，场地内杂物清理，堆土倒运至弃土场。
由于铁路桥下存在混凝土地坪，为防止振动对铁路产生影响，无法使用挖机等大型机械进行破碎施工。使用人工风镐对地坪进行破除，然后使用挖机对破除后地坪开挖装运。
需注意的是，铁路运营线范围内禁止堆土，所有土方开挖后随即装车运至指定弃土场。
由于既有铁路线梁底距支护桩顶仅2.3m-4.7m，不足钻孔灌注桩、挖机等机械操作空间。为施工安全考虑，对清表完成后，对护栏范围内所有土方进行拉槽处理，按1:1.5放坡开挖，直至设计拉槽线。
原地面清表后，由铁路桥投影范围外开始拉槽降低土方标高，保证挖机作业空间不会影响高铁桥梁安全，由北侧桥梁投影范围外逐步推进至投影范围内，直至U槽范围土方开挖至设计拉槽线。规划宁芜线下拉槽标高为10.1m，京沪、仙林线下为10.6m。

图2.3.3-1 土方拉槽示意图

拉槽后地面距铁路桥关系如下表：

表2.3.3-1 拉槽面与桥墩净空

2.3.4钻孔桩施工
钻孔桩钻进、钢筋笼安装及水下混凝土灌注采用常规工艺施工；由监测单位指定10根桩位安装测斜管。为避免孔洞放置时间过长造成深层土体位移，钻至设计标高后应及时作业后续工序；成孔施工完成至混凝土灌注间隔时间不得大于24h。
2.3.5拉森钢板桩施工
待钻孔灌注桩达到设计强度的70%方可进行外侧钢板桩施工。钢板桩为FSP-Ⅳ型（Q390bz-400×170），桩长9m。由于施工处于高铁桥下，为了不影响高铁和已建建筑，钢板桩采用静压施工，基坑两侧钢板桩永久保留，端头封堵钢板桩采用静压机拔除。
静压植桩机采用的是通过夹住数根已经压入地面的桩（完成桩），将其拔出阻力作为反力，利用静载荷将下一根桩压入地面的“压入机理”。
施工过程无振动，噪音小、精度高且施工作业面小，可以弥补振动打桩法的不足，有效的保证施工的安全，解决施工过程中遇到的难题，在保证进度的前提下，把施工对环境影响降到最低。

图2.3.5-1 静压桩机施工示意图

(1)钢板桩运到工地后，进行检查、分类、编号及登记。钢板桩经过装卸、运输、会出现撞伤、弯扭及锁口变形，钢板桩在拼组前必须进行检查，剔除锁口破裂、扭曲、变形的钢板桩；剔除钢板桩表面因焊接钢板、钢筋留下的残渣瘤。
(2)由于施工条件钢板桩长度过长需切成两节依次打入，然后将两节焊接，焊接时先对焊或将接口补焊合缝，再焊加固板，相邻板桩接长缝时应注意错开。
(3)为了确保插打位置准确，第一片钢板桩是插打的关键。要确保其准确、垂直。在打桩过程中，要采用全站仪对其垂直度进行控制，要保证打桩过程中钢板桩的垂直度。
(4)设置反作用力基座配重，架好静压植桩机；吊机喂第一根钢板桩，并压入。
(5)依次打入至第四根，撤掉配重、基座，开始正式顺序打桩

图2.3.5-2 静压桩机起步示意图

2.3.6压密注浆
注浆材料选用双液注浆，水玻璃模数2.4~3.2，浓度不小于40°Be，水灰比1:1，水玻璃掺量为水泥浆的20%～30%，注浆压力为0.2～0.5MPa，压密注浆的工艺流程为：振动沉管→封口→边注浆边拔注浆管→封孔。
⑴ 振动沉管
采用平板振动器将直径1寸注浆花管插入预定土层，深度按进入设计各区深度为准，管底部1.0~1.5m管壁上钻有注浆孔，地基表面空隙用1：3水泥砂浆或粘土、麻丝填塞。
⑵ 注浆顺序
① 操作人员按设计要求配制成浆液进行注浆。
② 注浆前先将注浆钢管上提20-30cm，并对注浆软管进行润湿，然后进行注浆。注浆过程要仔细观察压力表指数，控制注浆速度，注至冒浆为止。然后上提50cm后再开始注浆，以此下去。该孔注浆结束后进行移位，采用跳孔注浆原则。灌浆完后，拔出灌浆管，留孔用1：2水泥砂浆或细砂砾石填塞密实；亦可用原浆压浆堵口。
③ 技术人员在现场严格控制质量以及进度，保证安全，并按质按量按时完成现场记录，真实反映注浆情况。注浆充填率应根据加固土要求达到的强度指标、加固深度、注浆流量、土体的孔隙率和渗透系数等因素确定。饱和软粘土的一次注浆充填率不宜大于0.15~0.17。注浆压力为0.2-0.5MPa。
④ 注浆结束后要严格清洗注浆机，注浆钢管，注浆软管等以保证设备运转正常，保证注浆效果以及保证工期。
2.3.7监控量测
监测范围：本次监测范围为：佳营南路下穿影响段①仙宁铁路秦淮河特大桥27#～28#墩；②沪蓉铁路上行联络线特大桥55＃～56＃墩（现场踏勘为56＃～57＃墩）；③京沪高铁秦淮河特大桥56＃～57＃墩；④沪蓉铁路下行联络线特大桥52＃～53＃墩；共计8个桥墩。
监测内容：本次监测项目为墩柱沉降、墩柱水平（横桥向、顺桥向）位移、桥墩裂缝（施工前调查确认）。
自动化实时监测系统：根据业主要求，本次项目对施工影响段铁路桥梁桥墩的沉降、水平位移进行全时全方位自动监测，采用高精度智能监测系统，实现数据采集、传输、分析处理、成果发布、预警预报等过程的高度智能化，构建了一个基于云服务的实时安全监测信息管理平台，为业主提高高质量的监测解决方案。
本次项目对施工影响段铁路桥梁桥墩的墩柱沉降、墩柱水平（横桥向、顺桥向）位移进行全时全方位自动监测，实现数据采集、传输、分析处理、成果发布、预警预报等过程的高度智能化，全过程指导施工。
①沉降
沉降监测采用静力水准仪自动监测，使用30套ZKSZ-10型晶硅式静力水准仪进行自动化垂直位移数据采集，其中8套作为垂直位移基准点，22套作为监测点。
②水平位移
水平位移监测采用倾角仪自动监测，使用22套倾角仪进行自动化水平位移数据采集。
水平位移采用假定坐标系，水平位移坐标系以平行于宁杭高铁方向为横坐标方向且正方向指向杭州方向，垂直于宁杭高铁方向为纵坐标方向且正方向指向施工区域。各自动化测项运用远程自动化监测系统进行统一管理，形成从自动数据采集、数据处理、数据分析、预警预报和数据传输分发高度智能的自动化安全监测管理系统。
（1）静力水准监测
①静力水准监测实施
项目沉降监测采用静力水准自动监测，使用30套ZKSZ-10型晶硅式静力水准仪进行自动垂直变形数据采集，运用远程自动化监测系统进行管理，形成从自动数据采集、数据处理、数据分析、预警预报和数据传输分发高度智能的自动化安全监测管理系统。
ZKSZ-10高精度静力水准仪是由储液器、高精度感应器、处理模块、保护罩等部件组成。适用于地铁隧道、建筑物、大坝、大型桥梁、城市管道、路面等各种监测。静力水准系统是测量两点间或多点间相对高程变化的精密仪器，静力水准系统一般安装在被测物体等高的测墩上或被测物体墙壁等高线上，采用一体化模块化自动测量单元采集数据，通过有线或无线通讯与计算机连接，从而实现自动化观测。

ZKSZ-10高精度静力水准仪

自动化沉降监测系统结构图

②静力水准仪的安装
在条件允许的情况下，静力水准仪拟采用强力胶粘贴的方式进行布设。静力水准仪固定在桥墩设计位置，静力水准仪安装步骤如下：
1）在桥墩上选择监测点设计位置，确保储液罐在最高点的位置（基准点JZ1、JZ2处），基准点在相对稳固的位置；
2）将传感器安装固定好，接通液管；
3）将数据线根据合适的长度插上（按照设计长度预先做好每个测点间的连接线长，节约现场工作的时间）；
4）从基准点连续不断的灌入液体（防冻液），排除气泡（每个传感器均有排气按钮，按下即可排出气泡）；
5）将所有传感器编号输入采集仪，使采集仪与室内软件通过GPRS无线联通，根据项目需要设置相应的测量参数。
温度变化对静力水准仪影响较大，现场环境较为恶劣，温差大，应实施保温措施。测点处的静力水准仪均配有温度传感器，根据温度参数对测量数据进行温度改正。 （2）倾角仪监测
桥墩水平位移监测采用倾角仪进行监测。HC-B300是一款双轴数显倾角仪，专业用于测量物体相对水平位置的倾斜角度和设备安装的平面度，墙体的垂直度，
HC-B300属于双轴小量程数显倾角仪，仪器参数见表5-1，根据现场情况绝对精度可达到±0.1mm。内部集成磁铁自吸式安装方法，HC-B300底部平贴在铁型物体上，依靠产品内部的磁铁能长期吸附在被测物体上。省去了安装螺丝的麻烦，拆卸也更为简单。
该产品显示部分采用工业级数码管，这样就能保证在宽温度的工业环境中能正常工作。

表2.3.7-1 倾角仪精度表

倾角仪的布设：测量时将倾角仪布设在监测范围的桥墩墩底。在每个桥墩顺桥向与横桥向两侧分别布设1个倾角仪，每个桥墩共布设2台倾角仪。

倾角仪布设示意图

（3）裂缝监测
施工前及监测周期内调查确认路基有无裂缝，若有则应根据《建筑变形测量规范》JGJ 8-2016有关规定，对裂缝进行全方位监测，监测内容包括裂缝位置、走向、长度、宽度，必要时应监测裂缝深度。裂缝监测采用KON-FK（B）数显裂缝宽度监测仪（标称精度：±0.01mm）对裂缝进行监测，数显缝测宽仪外观及裂缝测量操示意图。 监测方法：裂缝宽度监测采用裂缝观测仪进行测读，监测位置选择裂缝最宽处。
（4）巡查
采用定性与定量相结合的方法对项目施工现场、铁路桥墩表观形态以及监测设备进行巡查，并做好记录工作。
在项目施工期间，安排专人每天进行工况巡查，巡查内容主要包括：施工工况，铁路桥墩表观裂缝，监测仪器工作状态，以及周边土体的变形、渗漏等情况。结合监测数据与巡查工况数据，分析施工对铁路结构的影响。重点关注基准仪器的稳定性及工作状态，及时修复因施工等外界因素造成的偏差，确保监测数据真实有效。
3、应用效果
我们将传统工法施工与采用改装工法施工两种方法进行了比较，形成以下比较结果。见表1及表2。 （注：总工程量2868延米，桩径为1m。）
共计节省成本费用1016607元。
4、完成单位人员及联系方式
完成单位：中铁四局南京分公司南京南部新城三经理部
完成人:赵雷刚（项目经理）、周志成（项目总工程师）、居昊（技术员）、周志成（项目总工程师）
联系人：周志成
联系方式：18260084224（移动、QQ、微信）